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密相气固流动的数值模拟取得系列研究成果
发稿时间:2014-03-10         作者:王雪瑶          来源:能源动力研究中心     【字号:

  气固流态化广泛存在于能源、化工、动力等领域,如催化裂化反应器、流化床燃烧及气化、流态化干燥及造粒等。密相气固两相流是典型的非线性非平衡系统,结构不均匀性和状态多值性是颗粒流体系统的两个主要特征。结构不均匀性引起颗粒流体之间的多尺度相互作用,如微观、介观和宏观尺度内存在不同的控制机制;状态多值性与系统稳定性相联系,比如在同一操作条件下的流化床中,在不同的床高位置,颗粒与流体之间相互作用机理不同,因而表现出不同的流动特征。如何建立气固反应器中的物理过程模型,定性、乃至定量描述其内的过程特征是建立密相气固两相流数值模拟的基础,在此基础上才有可能对流态化装置进行设计及操作优化。 

  近年来,能源动力中心通过多尺度分析的方法解析密相气固两相的流动特征,发展出适用于密相气固两相流动的数理模型。宏观采用连续介质欧拉双流体模型分别考察两相的运动;将密相气固两相流系统划分为微观、介观和宏观三种不同尺度的结构进行分析,将微观及介观尺度得到的两相之间的运动学和动力学信息嵌入到双流体模型中,完成双流体模型动量方程中两相间相互作用力的修正,基于CFD软件建立了适用于密相气固流动的数值模型,并针对典型试验工况开展了数值模拟的验证。 

  通过模拟表明,基于EMMS的修正曳力模型和其它未考虑气固流动不均匀性的曳力模型相比,EMMS模型能够模拟到密相气固两相流中颗粒团聚的现象,在压降和平均颗粒浓度上与实验结果一致。在此基础上,对密相输运床的关键部件,如提升管、出口结构、返料器开展了2维及3维的模拟工作。其中,在提升管内获得了平均颗粒浓度>7%、壁面无下降流的密相悬浮上升流态。在单元部件模拟的基础上,进行了输运床冷态实验装置的三维循环回路数值建模,模拟结果与实验具有较为吻合的宏观流体动力学现象,如颗粒团的形成、运动和破碎过程,提升管风量和立管充气量、位置的影响,密相悬浮上升的流动特征等。同时获得了受实验测试手段不足所不能获得的微观和局部气固流动现象与参数,如单颗粒及颗粒团聚物的动力学特征、气固两相在任一位置处的浓度和速度分布(尤其是径向分布特征)、压力波动等。这些微观和局部的流动信息为密相气固,两相流中密相悬浮上升特征提供了认知的基础。 

  上述工作获得了国家自然科学基金、所长基金等项目的支持,同时申请发明专利2项、发表学术论文10余篇,参加国际学术会议报告3次、国内学术会议报告2次。 

 
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